Transcript 筑波グループ結果報告 - 高エネルギー原子核実験グループ

FTBL実験報告
筑波大高エネルギー原子核実験グループ
(PHENIXグループ)
11/29/07~12/6
参加者一覧
坂田洞察（MRPC）
横山広樹（TRD）
池田義雅
稲葉基
江角晋一
加藤純雄
梶谷緑
佐野正人
下村真弥
常鵬
田辺嶺
中條達也
浜田英太郎
益井宙
三明康郎
（５０音順 敬称略）
1
実験目的
MRPC(Multi-gap Resistive Plate Chamber)
MRPCの汎用化及び、小型MRPCの動作性能確認の為
小型のMRPCを設計し、複数のTypeを製作し、
時間分解能・検出効率について以下の依存性を評価した
・HV依存性
・入射角度依存性
TRD
LHC-ALICE実験で使用するTRDのプロトタイプを用い、検
出器の基本的特性の評価を行う
2
実験セットアップ
Scintillation Counter
TRD
MRPC
Trig
for TOF
PbGlass
3
ビームコンディション
床から１２０cmの位置で
５＊５ｃｍの領域に３５０event/min
検出器
Sintillation Counter
①
TRD
MRPC
② ③
①：5×5cm両読みシンチレーションカウンター
HV:-3000kV (H2431) ATE:20dB Threshold:-13.7mV
②：5×5cm方読みシンチレーションカウンター
HV:-3000kV (H2431) ATE:20dB Threshold:-13.7mV
③：5×5cm方読みシンチレーションカウンター
HV:-1000kV (R647)
Threshold:-13.7mV
④：8×24cm両読みシンチレーションカウンター
HV:-1500kV (RA0497)
Threshold:-100mV
⑤：8×24cm両読みシンチレーションカウンター
HV:-1500kV (RA0497)
Threshold:-100mV
⑥：PbGlass(EMカロリーメータ)
HV:-1500kV
Threshpld:-100mV
PbGlass
④ ⑤
⑥
トリガー
スタートカウンター
for TOF
4
MRPC（Multi-gap Resistive Plate Chamber ）
Gas を充填
荷電粒子
読み出しpad
PCボード
電極
Outer glass
Inner glass
10kV以上の高電圧をかける
異符号の信号
ギャップが十分薄く均等であれば
各ギャップに電圧が均等に掛かる為
各ギャップでの時間特性が同じ
良い時間分解能
5
2 Type of MRPC
Single Stack
Double Stack
これらの実験のR&Dでは50~60ps
の時間分解能を得ている。
Single stack
Double stack
60ps
50ps
6
設計
2cm 1mm
6cm
設計方針
MRPCの汎用化及び小型MRPCの動作性能評価と
MRPCの入射角度依存性を評価
（二つの回転軸に対して評価しやすいように）
に最適化し設計
10cm
•
•
10cm
10*10cm
ボード
ガラスエポキシ
• Pad
銅箔フィルム
2*6cm ×3
電極：カーボンフィルム
Outer Glass : 1mm
Inner Glass : 550umm
Gap 幅
: 250um
7
実験計画
Single stack 4,6,8,10,12gap(5type)
Double stack 3,4,5,6,7 *2 gap(5type)
Gap 幅
235um
Gas mixture C2H2F4(R134a)
90%
C4H10(iso-butane) 5%
SF6
5%
・入射位置依存性
・印加電圧依存性
10-13[kV/mm]
・入射位置依存性
・入射角度依存性
0-90[度]
・入射角依存性
回転軸
8
時間分解能と検出効率
MRPC
START
40cm
TOF=
t MRPC  t start
Resolution of MRPC =
Efficiency=
TOF [ch]
 TOF   t
2
# 検出イベント
2
start
TOF分布
Double stack 5gap
E=12.8kV/mm
# 入射イベント
9
時間分解能＆検出効率のType 依存性
固有時間分解能
Single stack 6gaps 87ps+-7 @ 12.1kV/mm
Double stack 5gaps 74ps+-6 @ 11.3kV/mm
Good Efficiency 12kV/mm~
10
入射角度依存性①
()
60度までは、通過距離に応じて
平均電荷分布が推移している
Double stack 5gap
E field 11.3kV/mm
()
角度が付くほど誘起電荷が増加する為効率が
上昇する。ただし、より高い印加電圧では
99%のまま変わらないと予想される
また、90度は位置分解能が十分でない為11
正確な検出効率は不明
入射角度依存性②
()
時間分解能に検出器内の飛行時間が直接
乗ると考えると、角度が付けば付くほど
時間分解能は悪くなるはずであるが
５０度・６０度では
分解能がよくなっているように見える。
この現象の一つの可能性として
誘起電荷の増加が挙げられる。
回転軸
12
MRPCまとめ
• Single stack 4,6,8gaps
Double stack 5gaps
の時間分解能・検出効率について、 印加電圧依存性・入射
角依存性・位置依存性を評価した
Single 6gap及びDouble 5gapでは
100ps以下の分解能で99%以上の検出効率が得られた
• 課題
未だテストをしていないTypeの検出器の評価（宇宙線・ビーム）
より高い印加電圧での評価
精度のよい位置検出器を用いて位置依存性を評価
（TRD？他のDetector?）
13
TR(遷移放射)
• 相対論的な荷電粒子が誘電率の異なる物質間を通過する際のX線放射
– 通過前後での荷電粒子の作る電場は不連続となるので、その電場を補うとき
に放射が発生する
– 全放射エネルギーはローレンツ因子γに比例する
TR-photonの効果が顕著
TR強度
αz 2 ℏω
W=
γ
3
遷
移
放
射
強
度
運動量
•大きいγでは放射光の干渉が起こるため強度の飽和が起こる
•運動量1GeV/c以上の電子によって遷移放射が起こる
z : 入射粒子の電荷
 : プラズマ振動数
ローレンツ因子の違いにより
1～100GeV/cの電子とそれより重い荷
電粒子の識別にTRは効果的である
14
TRD-prototype
•radiator部/drift chamber部
1. Radiator部でTR-photonが発生する。
2. Drift regionでTR-photonと一次荷電粒子が電離を起こし、
電子が発生する。
3. 電子がanodeに向かいドリフトし、anode wireに吸収される。
4. 3のときcathode padsに誘起されたシグナルを検出する。
FADCによる読み出し
シグナルの波高とパッドの位置、時間から
飛跡を算出する
15
測定項目
• アノード電圧依存性（シグナルの増幅率）
• ドリフト電圧依存性（シグナルの減衰,ドリフト速度）
• ガス依存性（Ar+CO2(85,15),Xe+CO2(85,15)の違い）
• TR-photonの吸収（absorption lengthの評価）
• 位置分解能の入射角度依存性
の評価を行った
パッド方向へのシグナルのシェア
• パッド方向の波高分布より重心を求める。
• 重心からの距離とそれぞれのパッドの波高の分布を計算した。
• シグナルのパッド方向へのシェアは３パッドよりも小さいことがわかる。
17
各々の時間binでの波高を、最大の波高を持つpadとその両端のpadの波高の和とする
シグナル
すべてのイベントについてパルスの時間分布の平均を求め、
そのグラフから、各パラメータ（ドリフト時間、増幅領域での波高など）を決定する。
1イベントのパルスの時間分布
Xe+CO2(85,15)ガスの
ラディエータあり/なしの平均波高
波
高
青：without radiator
赤：with radiator
時間
すべてのイベントに
おいて平均をとる
TR-photon
増幅領域での波高
平
均
波
高
ドリフト時間
さまざまなパラメータを
18
取りだすことが可能
Drift Region
Amplification
Region
18
アノード電圧と増幅率
Arベースのガス
によるグラフ
平
均
波
高
Xeベースのガス
によるグラフ
平
均
波
高
時間
ドリフト電圧
-2100V
アノード電圧
黒：1500V
赤：1450V
緑：1400V
青：1350V
黄：1300V
時間
アノード電圧vs増幅率
青：Ar+CO2(85,15)
赤：Xe+CO2(85,15)
増
幅
領
域
で
の
波
高
電子雪崩による増幅率はアノード
電圧の指数関数として表すことが
できる
19
アノード電圧
ドリフト電圧とドリフト速度
Arベースのガス
によるグラフ
平
均
波
高
Xeベースのガス
によるグラフ
平
均
波
高
時間
アノード電圧
1500V
ドリフト電圧
黒：-2100V
赤：-2000V
緑：-1900V
青：-1800V
黄：-1700V
時間
電場vsドリフト速度
青：Ar+CO2(85,15)
赤：Xe+CO2(85,15)
ド
リ
フ
ト
速
度
ドリフト速度とドリフト領域での電場
との線形性が見える。
Arガス中のほうがXeガス中に比べ、
電子のドリフトが約3倍速い 20
ドリフト領域の電場
ドリフト時間と電子のアタッチメント
電子のアタッチメントによる
シグナルの減衰
a/bをattachmentの指標
とした
b
電離電子がドリフトす
るとき、ガス中の水
素や酸素による吸着
が起こり、シグナル
が減衰してしまう。
それが、ドリフト時間
にどのように影響す
るのか調べた。
a
a/b
青：Ar+CO2(85,15)
赤：Xe+CO2(85,15)
電子の滞在時間
水素や酸素によるシグナルの減衰は
電離電子のチェンバー内に滞在する時間に大きく依存する
21
ラジエーターの有無による遷移放射(1)
•TR-photonの吸収量を評価するためにラジエーター無しのグラフがフラットになるよ
うに補正を加えた。
補正前
Xeベースのガス
によるグラフ
平
均
波
高
補正後
アノード電圧
1500V
ドリフト電圧
-2100V
赤：ラディエータあり
青：ラディエータ無
平
均
波
高
時間
時間
Arベースのガス
によるグラフ
平
均
波
高
補正前
補正後
平
均
波
高
22
時間
時間
ラディエーターの有無による遷移放射(2)
•ラディエーターありのグラフとなしのグラフの差を取り、横軸をDetectorの厚
みに変換した（TR-photonによる波形）
•指数関数によるfitのSlopeからそれぞれのガスでのabsorption lengthを計算
した
TR-photonの吸収
吸収長(absoption length)は
 89 . 1mm ( forAr ) 
 

10 . 2 mm ( forXe ) 
青：Ar+CO2(85,15)
赤：Xe+CO2(85,15)
検出器の厚み(mm)
今回使用したTRDの厚さは30mmなので、
TR-photonの吸収はXeでは95%,Arで
は28%である。
TRDはより多くのTR-photonを吸収する
必要があるのでガスの選択としてはXeの
23
ほうが適当である。
飛跡検出器としてのTRDの性能
重心計算に
よって位置
を求める
パッド番号
パ
ッ
ド
番
号
時間
時間
入射角度20°
入射角度
1pad(=8mm)
分解能
0°
391.0±10.7um
10°
604.5±28.4um
20°
1071±22um
30°
1614±45um
この点で飛跡を引く
この点と飛跡の差
のばらつきを見る
位置分解能は入射角度0度で
24
400umとなった。
TRDまとめ

まとめ
 ALICE実験のためのTRD prototypeの性能を調べた
シグナルの増幅率はアノード電圧の指数関数として表すこ
とができる。
 ドリフト速度は、電場・ガスに依存し、電子のアタッチメントは
ドリフト時間に依存する。
 TR-photonの吸収長はXeで10mm、Arで89mmであった。
PIDの要求からガスはXeベースのガスが適当である。
 位置分解能は入射角度0度で391umとなった。

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今後の展望
MRPC
宇宙線テストベンチで実験を行い、ノイズ対策や
動作を確認できていないMRPCについても評価をし
再度テストビームに望みたい
TRD
卒業論文として提出及び発表
ガス中の水素や酸素による吸収が大きかったため
それを除去したうえでより良い実験を行いたい
外部検出器による位置分解能の測定を行うため、精度のよ
い位置検出器を用いた再実験を行いたい
26
最後に
川崎先生、幅先生をはじめ
多くの皆様にお世話になりました。
至らない事も多く、
ご迷惑をおかけしてしまったかと思います。
皆様の御指導を今後の研究によって
お返しできますよう、よりいっそう励みたいと思いま
す。
本当にありがとうございました！
（筑波グループ一同）
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